某露天礦山高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

鄧帆，王雄，王曦，孫宇超

(1.四川省川鐵枕梁工程有限公司，四川 成都 610000；2.中鐵十九局集團(tuán)礦業(yè)投資有限公司，北京 100000)

0 引言

露天礦山開采過程中，高陡巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性一直以來(lái)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)課題。露天開采形成的邊坡依據(jù)地質(zhì)條件及巖性特征分為多種類型，例如：軟巖巖質(zhì)邊坡，硬巖巖質(zhì)邊坡，高陡巖質(zhì)邊坡及復(fù)雜地質(zhì)條件的巖質(zhì)邊坡。根據(jù)地質(zhì)條件，巖層的構(gòu)造特點(diǎn)及擾動(dòng)情況等，邊坡穩(wěn)定性的賦存狀態(tài)均體現(xiàn)出各向異性。多年來(lái)各學(xué)者提出很多關(guān)于露天礦巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的研究方法，例如：極限平衡法[1]、強(qiáng)度折減法[2]、微震監(jiān)測(cè)法[3]、雷達(dá)預(yù)警監(jiān)測(cè)法[4]及運(yùn)動(dòng)理論分析[5]等多種方法。

在前人研究的基礎(chǔ)上，近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)露天礦山巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了研究，例如：韓亮等[6]研究了露天煤礦場(chǎng)地振動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的安全影響；劉鴻揚(yáng)[7]對(duì)金屬礦山開采形成的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了安全技術(shù)分析；李瀚林等[8]通過采用極限平衡法和強(qiáng)度折減法的雙重理論對(duì)巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的探討；周成豪等[9]研究了地震荷載對(duì)露天礦山高邊坡最終邊坡角進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究；康皎成[10]對(duì)露天礦開采形成的巖質(zhì)邊坡進(jìn)行了分析，并研究了邊坡治理的技術(shù)及措施；葉驍[11]研究了露天礦山崩塌地質(zhì)條件下邊坡的災(zāi)害形成機(jī)理及防治措施。本文通過巖石力學(xué)試驗(yàn)，采用FLAC3D強(qiáng)度折減法以及 Slide極限平衡法數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)某礦山開采過程中可能形成的終了邊坡及臺(tái)階坡面角進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，研究得出了邊坡穩(wěn)定性的最優(yōu)參數(shù)，為礦山設(shè)計(jì)、安全生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)于礦山后期的安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究背景

某礦區(qū)為基巖裸露的低山區(qū)斜坡巖體，主要由雷口坡組第三段地層中的泥質(zhì)灰?guī)r、泥巖、灰?guī)r及須家河組第一段地層中的細(xì)砂巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖組成，第四系松散沉積物少。在地質(zhì)結(jié)構(gòu)方面，以斜交坡為主，地質(zhì)結(jié)構(gòu)面傾角一般10° 左右，較平緩，斜坡坡度一般為30°～50°。由于石灰?guī)r礦體較堅(jiān)硬，常形成陡壁、懸崖，局部有崩塌墜塊現(xiàn)象。泥巖為塑性巖體，易風(fēng)化剝蝕，地表常形成緩坡低山地貌。礦區(qū)內(nèi)地勢(shì)總體南、北高，中部較低，礦區(qū)最高點(diǎn)位于采區(qū)南東側(cè)，海拔 771.5 m，最低點(diǎn)位于采區(qū)南西部，海拔588 m，相對(duì)高差183.5 m。

礦區(qū)地層主要由灰?guī)r和砂巖組成，礦區(qū)內(nèi)礦層較穩(wěn)定，完整延伸較好，礦區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)斷裂分布。但如果礦山在開采過程中邊坡角設(shè)計(jì)不合理，在上覆巖層（砂巖）的擠壓下，下伏巖層卸荷易發(fā)生滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。因此礦山邊坡的最終邊坡角應(yīng)該嚴(yán)格控制，避免造成次生地質(zhì)災(zāi)害。本文采用FLAC3D及Slide數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)該礦山終了邊坡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，判斷該礦山終了邊坡的穩(wěn)定性，得出該礦山終了邊坡的最優(yōu)參數(shù)，并對(duì)不穩(wěn)定的區(qū)域提出了安全指導(dǎo)建議。

2 力學(xué)試驗(yàn)

2.1 巖石試件力學(xué)試驗(yàn)

礦區(qū)內(nèi)主要有兩種巖石，分別為砂巖和石灰?guī)r。選取礦區(qū)內(nèi)典型的區(qū)域進(jìn)行巖石取樣，并進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)。巖石試件采用圓柱體，直徑約為50 mm，高度約為100 mm。試件端部平面磨平到 ±0.02 mm，高度精確到1 mm，端面應(yīng)垂直于試件軸線，允許偏差為 ±0.25°，試件如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)試件

經(jīng)力學(xué)試驗(yàn)得出，該礦山砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度為43.125 MPa，彈性模量為19.049 GPa，石灰?guī)r試件的單軸抗壓強(qiáng)度為91.083 MPa，彈性模量為19.251 GPa。

2.2 巖體力學(xué)參數(shù)

根據(jù)《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 51016-2014）巖石力學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換為巖體力學(xué)參數(shù)的相關(guān)公式和Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，并參考相似礦山的巖石力學(xué)指標(biāo)，將巖石強(qiáng)度指標(biāo)轉(zhuǎn)化為巖體質(zhì)量指標(biāo)見表1。

表1 砂巖及石灰?guī)r巖體強(qiáng)度指標(biāo)

3 數(shù)值分析

3.1 模型的建立及邊界條件

3.1.1 模型的建立

根據(jù)礦山實(shí)際情況選取典型的剖面，所選取的剖面如圖2所示。

圖2 礦山典型剖面

該礦山2個(gè)典型剖面的參數(shù)分別為：1-1剖面所在邊坡為采場(chǎng)西南側(cè)邊坡，終了邊坡高110 m，終了自然邊坡及臺(tái)階高度共計(jì)157 m，有6個(gè)臺(tái)階；2-2剖面所在邊坡為采場(chǎng)東部邊坡，終了邊坡高100 m，上覆巖層（砂巖）高度為50 m，共計(jì)高度為150 m，有6個(gè)臺(tái)階。其中2個(gè)剖面的臺(tái)階坡面角均為75°，1-1剖面的最終邊坡角為59°，2-2剖面的最終邊坡角為53°。

3.1.2 邊界條件

模擬中采用 Fix約束模型水平方向和底部位移，模型頂部為自由邊界不受約束，研究極端工況（自重+暴雨+地震）下露天礦終了邊坡的穩(wěn)定性，其中自重通過巖體的密度及重力荷載控制，暴雨通過fluid命令控制，礦山工程建筑物抗震設(shè)防烈度按Ⅵ度設(shè)防。

3.2 模擬結(jié)果分析

將剖面 1-1和剖面 2-2分別采用 FLAC3D及Slide數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算，模擬云圖如圖 3～圖 4所示。

圖3 FLAC3D強(qiáng)度折減法數(shù)值模擬結(jié)果

圖4 Slide極限平衡法數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)圖3和圖4可知， 1-1剖面和2-2剖面在極端工況下的邊坡平均安全系數(shù)僅為1.03和0.935，邊坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

4 邊坡優(yōu)化研究

針對(duì)該礦山的實(shí)際情況，考慮到礦山的經(jīng)濟(jì)效益及邊坡安全的相關(guān)內(nèi)容，分別采用降低臺(tái)階坡面角及最終邊坡角和削坡減載的方式對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，即1-1剖面采用降低臺(tái)階坡面角及最終邊坡角的優(yōu)化方式，將原先的臺(tái)階坡面角 75° 降為 70°，最終邊坡角59° 降為55°；2-2剖面采用削坡減載的優(yōu)化方式，根據(jù)礦山成本投入、安全生產(chǎn)措施及經(jīng)濟(jì)效益，擬定削坡角度為23°。優(yōu)化后的云圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 FLAC3D強(qiáng)度折減法優(yōu)化后數(shù)值模擬結(jié)果

圖6 Slide極限平衡法優(yōu)化后數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)圖5和圖6可知，1-1剖面和2-2剖面經(jīng)優(yōu)化后，在極端工況下的邊坡平均安全系數(shù)分別為1.15和1.14，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

（1）采用Slide極限平衡法與FLAC3D強(qiáng)度折減法分別對(duì)該礦山2個(gè)典型剖面進(jìn)行數(shù)值分析，得出在極端工況下，2個(gè)邊坡的平均安全系數(shù)分別為1.03和0.935，2個(gè)邊坡均處于不穩(wěn)定狀態(tài)，易導(dǎo)致滑坡或坍塌。

（2）經(jīng)優(yōu)化后，2個(gè)典型剖面在極端工況下的平均安全系數(shù)分別為1.15和1.14，均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）研究結(jié)果顯示，1-1剖面可以將原先設(shè)計(jì)的臺(tái)階坡面角 75° 調(diào)整為 70°，最終邊坡角 59° 降低為55°；2-2剖面采用削坡減載的方式可保證邊坡的穩(wěn)定性，其中2-2剖面削坡角度為23°。